Ge pMOSFET avec passivation GeOx formés par post-oxydation à l'ozone et au plasma

Contexte

Les dispositifs CMOS (complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur complémentaires) conventionnels approchant de leur limite physique, il est difficile d'améliorer les performances des dispositifs semi-conducteurs à grande vitesse avec du silicium (Si) comme matériau de canal. Le remplacement du substrat ou du matériau du canal par un autre matériau à haute mobilité est une option impérative. Le germanium (Ge) a été considéré comme un matériau de canal alternatif prometteur en raison de la mobilité des porteurs supérieure à celle du Si. Le MOSFET a généralement besoin d'une interface oxyde/semi-conducteur de haute qualité pour atteindre une mobilité efficace élevée. Cependant, pendant une assez longue histoire, les MOSFET Ge ont souffert de la densité élevée d'états d'interface (D _il ) causée par la mauvaise stabilité thermique de GeO₂ et les liens pendants [1]. Ainsi, de nombreuses recherches ont été menées sur la passivation d'interface Ge.

Plusieurs approches pour obtenir une couche d'interface Ge/diélectrique de haute qualité ont été rapportées, telles que la passivation de Si en déposant uniformément plusieurs monocouches de Si sur un substrat de Ge avant l'épitaxie diélectrique ou l'auto-passivation en formant GeO₂ exprès [2, 3]. Afin de former un GeO₂ de haute qualité couche, il existe de nombreux processus d'oxydation pour réduire D _il et améliorer la stabilité thermique, y compris l'oxydation à haute pression [4], l'oxydation à l'ozone [5], H₂ O plasma [6], et post-oxydation plasma à résonance cyclotron électronique (ECR) [7].

Ces dernières années, de nombreux travaux ont été rapportés selon lesquels un MOSFET Ge haute performance peut être réalisé par post-oxydation via Al₂ O₃ /Ge interface. En 2014, un inverseur Ge CMOS a été réalisé sur un substrat Ge-sur-isolant (GeOI) avec GeO_x développé par recuit thermique rapide dans de l'oxygène pur ambiant après 1 nm Al₂ O₃ a été déposé sur Ge [8]. En réf. [7], Ge pMOSFET et nMOSFET avec GeO_x la passivation ont été fabriquées avec un plasma d'oxygène après l'oxydation et la dépendance à la température de GeO_x l'épaisseur et les performances électriques ont également été discutées. L'oxydation thermique du Ge par l'ozone peut être réalisée à une température plus basse, car l'ozone est plus réactif que l'oxygène [5]. L'impact de la température sur GeO_x l'épaisseur augmentée par l'ozone sur la surface de Ge a été démontrée. Ge pMOSFET avec GeO_x une passivation fabriquée par post-oxydation à l'ozone a également été signalée [9].

Dans ce travail, Ge pMOSFETs avec GeO_x la passivation est fabriquée à l'aide d'une post-oxydation à l'ozone (OPO) et d'une post-oxydation au plasma d'oxygène (PPO) de l'Al₂ O₃ Interface /n-Ge. Une étude comparative sur les performances électriques des pMOSFET Ge avec OPO et PPO est réalisée. Tous les processus, à l'exception de la passivation, sont contrôlés avec précision pour être identiques. La post-oxydation a été réalisée après l'Al₂ O₃ dépôt de couche de bloc différent de [9] dans lequel la post-oxydation était après HfO₂ déposition. Le mécanisme de dégénérescence de la mobilité de Coulomb et la diffusion de la rugosité est étudiée. L'impact de l'épaisseur de l'Al₂ O₃ La couche de bloc sur les performances de l'appareil est également discutée. Dans l'ensemble, nous démontrons que l'OPO est une technique de passivation prometteuse pour la future fabrication de MOSFET Ge.

Méthodes

Les pMOSFET Ge ont été fabriqués sur 4 pouces. Plaquettes n-Ge (001) avec une résistivité de 0,14 à 0,183 Ω cm. Trois processus de passivation différents ont été effectués, et les étapes clés du processus sont illustrées à la figure 1a. Les plaquettes ont été nettoyées avec du HF dilué (1:50) et de l'eau déminéralisée pendant plusieurs cycles pour éliminer l'oxyde natif, puis transférées immédiatement dans une chambre de dépôt de couche atomique améliorée par plasma PEALD (Picosun R200 Advanced). Ensuite, un mince Al₂ O₃ film (~ 1 nm) a été déposé à 300 °C avec du triméthylaluminium (TMA) et de l'eau déionisée (H₂ O) comme précurseurs de Al et O, respectivement. Parce que l'Al₂ O₃ /GeO₂ couche est trop mince pour avoir un rapport d'atomes d'oxygène précis, nous avons marqué ces deux couches comme AlO_x /GeO_x . La PPO a été réalisée avec la source plasma distante Litmas pendant 60 µs. Un générateur d'ozone (générateurs d'ozone de la série AC aux États-Unis) avec un débit d'oxygène d'entrée de 750 scccm a été utilisé pour le traitement OPO dans 50 % d'O₃ /O₂ ambiant. Sans casser le vide, 60 cycles HfO₂ a ensuite été déposé sur le dessus d'AlO_x /GeO_x après traitement PPO ou OPO à 300 °C en utilisant du tétrakis diméthylamino hafnium (TDMAHf) et H₂ O comme précurseurs de Hf et O, respectivement. Un TaN de 100 nm a ensuite été déposé par pulvérisation cathodique réactive comme métal de grille. Après la structuration de la grille et la gravure, BF ²⁺ auto-aligné implantation dans des régions source/drain(S/D) avec une énergie de 20 keV et une dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ^− 2 a été effectuée. Un métal Ni S/D de 20 nm a été déposé et modelé par un processus de décollement. Enfin, un recuit thermique rapide à 450°C pendant 30  s pour l'activation du dopant et le contact ohmique S/D a été suivi. Les images schématiques et microscopiques des pMOSFET Ge fabriqués sont présentées sur les figures 1b et c, respectivement.

un Flux de processus clé pour la fabrication de pMOSFET Ge avec GeO₂ passivation de surface avec trois méthodes de passivation différentes. b Schéma et c images au microscope du transistor Ge fabriqué

La section transversale de TaN/HfO₂ /AlO_x /GeO_x L'empilement de grille /Ge a été représenté à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) pour comparer l'impact du plasma d'oxygène ou de l'ozone sur GeO_x formation. Les figures 2a et b montrent les images MET en coupe transversale de TaN/HfO₂ /AlO_x /GeO_x /Ge gate stack avec PPO et OPO, respectivement. L'épaisseur du HfO₂ amorphe couche dans les deux appareils est de 6  nm. La plaquette A avec un traitement PPO des années 60 a un AlO_{x distinct} /GeO_x couche entre le HfO₂ et substrats Ge. Cette AlO_x /GeO_x couche dans la plaquette B formée par 20 min OPO a une marge désordonnée. L'épaisseur du GeO_x couche est conforme aux données de [10].

Images MET en coupe transversale de l'empilement de grilles à k/métal élevé avec un AlO_x /GeO_x couche interfaciale (IL) fabriquée par a OPO et b PPO sur un canal n-Ge (001)

Résultats et discussion

Les caractéristiques de sortie et de transfert couplées à la tension de capacité (CV) grille-source haute fréquence ont été mesurées par Keithley 4200-SCS. La figure 3 montre la comparaison des caractéristiques de transfert et de sortie des pMOSFET Ge avec trois conditions de formation différentes de l'AlO_x /GeO_x couche de passivation. Tous les dispositifs sur différentes tranches ont une longueur de grille (L _G ) de 3 μm. Les appareils sur la plaquette A présentent un courant de drain saturé plus élevé (I _DS ) par rapport aux deux autres tranches. Mais les plaquettes B et C avec OPO montrent un courant à l'état OFF beaucoup plus faible (I _OFF ) par rapport à la plaquette A avec PPO. On voit également que les plaquettes B et C avec OPO fonctionnaient en mode enrichissement et la plaquette A fonctionnait en mode épuisement. On en déduit qu'après traitement PPO, la surface n-Ge reste encore de type p en raison du D élevé _il valeur qui a été discutée dans [11]. Plaquette C avec un Al₂ plus épais O₃ la couche de blocs affiche un V positif _TH décalage par rapport à la plaquette B et un D plus élevé _il que la plaquette B. Il est observé à partir des caractéristiques de sortie illustrées sur la Fig. 3b que, sous une faible tension de grille (V _GS ), la plaquette A a un I inférieur _DS sur les tranches B et C en raison de l'oscillation sous-seuil (SS) moins raide. Lorsque le V _GS augmente, Je _DS de la plaquette A est de plus en plus élevée par rapport aux deux autres appareils. Par conséquent, à partir des images de la Fig. 3 et MET de la Fig. 2, la diffusion de l'AlO_x /GeO_x la couche peut supprimer le I _OFF , entraînant ainsi une amélioration des effets de passivation.

un Je _DS –V _GS et b Je _DS –V _DS caractéristiques des pMOSFET Ge avec un Al₂ O₃ /GeO₂ couche de passivation fabriquée par PPO (wafer A) et OPO (wafers B et C)

La figure 4 résume les résultats statistiques du I _ON /Je _OFF rapport et oscillation sous le seuil des appareils sur différentes tranches. Les pMOSFET Ge avec OPO présentent un I plus élevé _ON /Je _OFF rapport (~ 4 ordres de grandeur) et SS remarquablement amélioré par rapport au dispositif PPO, indiquant une meilleure qualité de l'interface diélectrique/canal. Par rapport à la plaquette B, la plaquette C présente un courant à l'état passant plus élevé (I _ON ) mais un I inférieur _ON /Je _OFF rapport.

Graphiques statistiques de a SS et b Je _ON /I _OFF rapport pour les pMOSFET Ge avec différentes conditions de passivation

Pour représenter davantage la qualité de la couche interfaciale des différentes méthodes de post-oxydation, les plaquettes A, B et C (échantillons factices sans HfO₂ et métaux de grille) ont été testés par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). La mesure XPS a été réalisée sur trois échantillons factices post-oxydation après traitement PPO ou OPO sans HfO₂ dépôt et pulvérisation TaN. La stoechiométrie de GeO_x dans Al₂ O₃ Des échantillons de /GeO/Ge ont été étudiés avec une source de rayons X monochromatique doux Al Kα (1486,6  eV). Ge 3d les pics et l'analyse de différenciation des pics sont illustrés à la Fig. 5. Le Ge 3d _5/2 le pic des trois échantillons est unifié à 29,7 eV, et les déplacements chimiques du Ge 3d _3/2 , Ge ¹⁺ , Ge ²⁺ , Ge ³⁺ , et Ge ⁴⁺ à Ge 3d _5/2 sont fixés à 0,6, 0,8, 1,8, 2,75 et 3,4 eV, respectivement [12]. Sur la Fig. 5b, la plaquette A montre qu'après une PPO de 60 s, la principale valence de Ge dans GeO_x sont Ge ¹⁺ et Ge ³⁺ . Une distribution d'état de cantonnière Ge similaire est observée dans la plaquette C, et un Ge ³⁺ composante est légèrement augmentée. Dans la Fig. 5b, la plaquette B montre qu'un dispositif OPO avec un diluant (10 cycles) Al₂ O₃ oxydera davantage Ge ¹⁺ dans Ge ²⁺ , Ge ³⁺ , et Ge ⁴⁺ , tandis que Ge ¹⁺ est considérablement réduit.

un Ge 3d Spectres XPS de Al₂ O₃ /GeO_x /Ge formé par des conditions différentes. b Raccords de pointe du Ge 3d Spectres XPS du GeO₂ couche pour les trois échantillons

Les caractéristiques CV porte-source sont illustrées à la Fig. 6. À partir de la courbe CV à 1 MHz, le D _il l'écart proche est estimé par Terman méthode [13], et une valeur d'épaisseur d'oxyde équivalente (EOT) est également évaluée comme indiqué dans le tableau 1. L'OPO de vingt minutes (plaquettes B et C) entraîne une EOT plus élevée que la PPO (plaquette A). La plaquette C présente un EOT plus élevé que celui de la plaquette B, en raison de l'Al₂ plus épais O₃ comme couche de blocage. Il a été rapporté que l'épaisseur de GeO_x sur une surface Ge nue en O₃ ambiant atteint la saturation en quelques minutes et l'épaisseur de saturation est dominée par la température au lieu du temps d'oxydation [10]. Donc dans cet article, l'épaisseur de GeO_x par l'ozone, la post-oxydation est saturée après quelques minutes et le temps d'oxydation restant est uniquement pour le recuit.

Capacité porte-source par rapport à V _GS caractéristiques des Ge pMOSFET passivés par PPO (wafers A) et OPO (wafers B et C)

La figure 7 résume la résistance totale (R _T ) contre L _G de chaque appareil dans ce travail. Ici, R _T est défini comme V _DS /Je _DS à V _DS = 0,05 V et V _GS − V _TH = 1 V. La résistance série source/drain (S/D) (R _SD ) et la résistance du canal (R _CH ) peut être extrait de l'interception et de la pente de l'ajustement linéaire de R _T –L _G lignes comme le montre la figure 7. Le R extrait _SD et R _CH les résultats sont résumés dans le tableau 1. La figure 7 montre que les pMOSFET Ge avec PPO présentent un R inférieur _SD et R _CH ce qui est cohérent avec les résultats de capacité illustrés à la figure 6.

Résistance totale (R _T ) en fonction de la longueur de la porte (L _G ) de Ge pMOSFET

Mobilité efficace du trou μ _eff a été extrait sur la base d'une approche basée sur la pente de résistance totale. Dans la Fig. 8, nous comparons le μ _eff de nos pMOSFET Ge avec traitement PPO et OPO avec ceux d'autres pMOSFET Ge rapportés [9, 14]. Q _inv est la densité de charge d'inversion dans le canal du dispositif. Les pMOSFET Ge avec OPO présentent un pic plus élevé μ _eff par rapport aux appareils avec PPO. Plaquette C avec un Al₂ plus épais O₃ la couche de blocs a une mobilité de trou de pointe plus élevée de 283 cm ² /V s par rapport à la plaquette B avec l'Al₂ plus fin O₃ . La plaquette A avec PPO présente un trou à champ élevé inférieur μ _eff avec les appareils avec OPO, ce qui est attribué à la plus faible diffusion de rugosité. Mais, à faible champ, les transistors sur la plaquette A avec PPO atteignent un μ inférieur _eff que les dispositifs OPO en raison de la diffusion coulombienne plus élevée [15]. Seuls quelques travaux sur les pMOSFET Ge fabriqués par passivation à l'ozone ont été rapportés. Ici, une comparaison des performances des dispositifs clés entre nos dispositifs et les pMOSFET Ge rapportés traités avec OPO [9, 14] est effectuée, et les résultats sont présentés dans le tableau 2. Il est conclu que la plaquette C dans ce travail atteint le haut -champ μ _eff amélioration et plus élevé I _ON /Je _OFF par rapport à l'appareil rapporté traité avec OPO. De plus, à un Q _inv de 5 × 10 ¹² cm ^− 2 , la plaquette C démontre un μ 2,37 fois plus élevé _eff en comparaison avec la mobilité universelle Si. Le Je _ON de la plaquette C est légèrement inférieure à celle de la Réf. [9] qui est dû à la plus grande EOT.

μ _eff contre Q _inv de Ge pMOSFET avec différentes conditions de passivation. Transistors Ge avec 15 cycles Al₂ O₃ + 20 min O₃ l'oxydation (plaque C) présente un pic μ _eff de 283 cm ² /Vs. L'impact de la résistance S/D sur μ _eff l'extraction a été supprimée par la méthode d'extraction de la mobilité effective des canaux basée sur la pente de résistance totale [16]

Conclusions

Les pMOSFET Ge sont réalisés avec GeO_x passivation, qui est formée par le traitement OPO ou PPO de Al₂ O₃ /n-Ge dans PEALD. Les appareils OPO présentent les meilleures caractéristiques de transfert et de sortie, le plus élevé I _ON /Je _OFF rapport, l'oscillation inférieure au seuil améliorée et le pic plus élevé μ _eff par rapport aux appareils PPO. Pour le procédé OPO à 15 cycles, un Al₂ plus épais O₃ couche conduit à une valeur EOT plus élevée et à un μ amélioré _eff dans les appareils par rapport au cas à 10 cycles. Tous les résultats de ce travail indiquent que l'OPO est un moyen de passivation efficace pour obtenir une interface Ge/diélectrique de haute qualité et peut donc être une technique de passivation candidate prometteuse pour la future fabrication de MOSFET Ge.

Abréviations

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

ALD :

Dépôt de couche atomique

BF₂ ⁺ :

Ion fluorure de bore

EOT :

Épaisseur d'oxyde équivalente

Voir :

Germanium

GeO_x :

Oxyde de Germanium

HF :

Acide fluorhydrique

HfO₂ :

Dioxyde d'hafnium

TEM :

Microscope électronique à transmission

MOSFET :

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

OPO :

Post-oxydation à l'ozone

OPP :

Post-oxydation plasma

Q _inv :

Densité de charge d'inversion

SS :

Balançoire sous le seuil

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

μ _eff :

Mobilité efficace des trous